Modélisation des phénomènes physiques fluide-structure associés à la dégradation thermochimique des matériaux en régime hypersonique continu lors de la rentrée atmosphérique des débris spatiaux

Modelling of fluid-structure physical phenomena associated to the material thermochemical degradation in hypersonic continuum flow regime during space debris atmospheric entry

• Auteur / Autrice : Maxime Lalande
• Direction : Nathalie Bartoli, Ysolde Prévereaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique et transferts
• Date : Soutenance le 01/12/2025
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Énergétique et dynamique des fluides (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Roustant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Bartoli, Ysolde Prévereaud, Alexandre Martin, Thierry Magin, Pietro Marco Congedo, Céline Baranger, Nicolas Dellinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Martin, Thierry Magin
• DOI : 10.70675/e5df9940za34bz4fa2zadf8z079ce2e1ebbb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aérothermodynamique

Véhicules spatiaux -- Entrée dans l'atmosphère

Matériaux -- Détérioration

Modèles réduits

Débris spatiaux

Processus gaussiens

Mots clés libres

Aérothermodynamique

Rentrée atmosphérique

Dégradation thermochimique des composites

Débris spatiaux

Modèles réduits

Processus Gaussiens

Aerothermodynamics

Atmospheric reentry

Composite thermochemical degradation

Space debris

Reduced order model

Gaussian process

Résumé

Au cours des 40 dernières années, 16.000 tonnes de débris spatiaux ont effectué une rentrée atmosphérique terrestre. On estime qu’entre 10 % et 40 % de la masse rentrante a atteint la surface de la Terre, ce qui représente une menace potentielle pour la sécurité au sol. La prévision du risque au sol devient un enjeu majeur pour les acteurs du spatial qui doivent se conformer à la Loi n° 2008-518 relative aux Opérations Spatiales, votée en 2008 et appliquée depuis 2021. Cette loi concerne les opérateurs français ou les opérateurs étrangers exerçant depuis le sol Français, tel que le Centre Spatial Guyanais.Depuis plusieurs années, l’ONERA développe des outils de simulation numérique 3D pour la dynamique des fluides (CEDRE/CHARME) et la dégradation thermique des matériaux (MoDeTheC). Cependant, effectuer des simulations ''haute-fidélité'' de rentrées atmosphériques complètes (pour chaque point de vol le long de la trajectoire de descente) à l’aide de ces outils est trop coûteux numériquement, en particulier pour la partie CFD (CEDRE/CHARME). Pour cette raison, l’ONERA a également développé des modèles réduits entraînés sur des simulations numériques ''haute-fidélité''. Ces modèles réduits sont implémentés dans le logiciel ARES de l’ONERA qui permet de simuler l’ensemble de l’entrée atmosphérique des débris spatiaux. Un outil similaire, nommé PAMPERO, est développé par le CNES. Même si la simulation de rentrée atmosphérique est possible, certains phénomènes physiques majeurs ne sont pas pris en compte, ou seulement partiellement.Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de modéliser les phénomènes physiques fluide-structure jouant un rôle majeur dans la dégradation thermochimique des débris spatiaux composites de type CFRP lors de l’entrée dans l’atmosphère.La majeure partie de la dégradation des débris spatiaux se passe au niveau des couches denses supérieures de l’atmosphère (entre 40 et 70km d’altitude), au sein desquelles l’écoulement est qualifié d’hypersonique continu. Dans ce régime, la température du gaz derrière le choc peut être suffisamment élevée pour induire des réactions chimiques de dissociation et de recombinaison dont les produits diffusent vers la paroi à travers la couche limite. Plusieurs phénomènes se produisent à la paroi (recombinaison catalytique, sublimation, oxydation, nitruration), et ont un effet sur la composition chimique de l’écoulement, la géométrie de surface, le flux de chaleur convecto-diffusif et donc sur la réponse thermochimique du matériau. Rétroactivement, la dégradation interne de la matrice organique génère des gaz de pyrolyse qui sont dégazés dans la couche limite sous l’effet du gradient de pression. Finalement, le soufflage conjugué des produits d’ablation surfacique et volumique perturbe la stabilité de la couche limite pouvant induire une transition laminaire-turbulent précoce, modifie la composition chimique de l’écoulement et affecte le flux de chaleur reçu par la paroi par blocage convectif. Un couplage physique très important existe donc entre l’écoulement et la réponse du matériau.Tout d'abord, les principaux phénomènes physiques fluide-structure ont été modélisés et simulés avec une attention particulière portée sur l’effet du dégazage (débit, composition, déséquilibre chimique). Par la suite, une base de données composée de simulations CFD a été générée. Différentes méthodes d’apprentissage par Krigeage ont été mises en place afin de développer des modèles réduits prenant en compte l’effet du dégazage sur la modification du flux de chaleur convecto-diffusif à la paroi. Ces modèles ont été implémentés dans le code ARES de l’ONERA et appliqués à des cas de rentrée atmosphérique. Ainsi, un scénario complet de rentrée atmosphérique de débris spatiaux prenant en compte la pyrolyse a été réalisé.

Over the past 40 years, 16,000 tons of space debris have re-entered the Earth's atmosphere. It is estimated that between 10% and 40% of the incoming mass reaches the Earth's surface, posing a potential threat to ground safety. Predicting ground risk has therefore become a major issue for space stakeholders, who must comply with French Law No. 2008-518 on Space Operations, voted in 2008 and enforced since 2021. This law applies to French operators as well as foreign operators conducting activities from French territory, such as the Guiana Space Centre.For several years, ONERA has been developing 3D numerical simulation tools for fluid dynamics (CEDRE/CHARME) and for thermal degradation of materials (MoDeTheC). However, conducting high-fidelity simulations of complete atmospheric re-entries (i.e., for each flight point along the descent trajectory) using these tools remains computationally too expensive, especially for the CFD part (CEDRE/CHARME). For this reason, ONERA has also developed reduced-order models trained on high-fidelity numerical simulations. These models are implemented into ONERA's ARES software, which simulates the overall atmospheric re-entry of space debris. A similar tool, PAMPERO, is being developed by CNES. Although atmospheric re-entry simulations are now possible, some major physical phenomena are either not taken into account or only partially modeled.In this context, the objective of this PhD is to model the key fluid-structure interaction phenomena that govern the thermochemical degradation of composite space debris, such as CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers), during atmospheric re-entry.Most of the degradation of space debris occurs in the upper dense layers of the atmosphere (between 40 and 70 km altitude), where the flow is characterized as continuous hypersonic. In this regime, the gas temperature behind the shock can be high enough to induce dissociation and recombination chemical reactions, with the resulting species diffusing toward the surface through the boundary layer. Several surface phenomena (catalytic recombination, sublimation, oxidation, nitridation) occur at the wall and affect the chemical composition of the flow, the surface geometry, the convective-diffusive heat flux, and thus the material's thermochemical response. In turn, the internal degradation of the organic matrix generates pyrolysis gases, which are blown into the boundary layer due to the pressure gradient. Ultimately, the combined blowing of surface and in-depth ablation products perturbs the boundary layer stability, potentially inducing an early laminar-turbulent transition, alters the flow's chemical composition, and affects the heat flux at the wall through convective blockage. Thus, a strong physical coupling exists between the flow and the material response.First, the main fluid-structure interaction phenomena were modeled and simulated, with particular attention paid to the effects of pyrolysis gas blowing (mass flow rate, composition, chemical non-equilibrium). A database of CFD simulations has then been generated. Based on this dataset, Kriging-based surrogate modeling techniques have been used to train reduced-order models that take into account the influence of pyrolysis gas blowing on the convective-diffusive heat flux at the wall. These surrogate models have then been integrated into ONERA’s ARES code and applied to atmospheric re-entry cases. This enabled to perform complete simulations of space debris atmospheric re-entry, taking into account the effects of pyrolysis gas blowing.